多功能室內輪式機器人設計與實現

王玥玥

（北京信息職業技術學院，北京，100018）

0 引言

輪式機器人目前應用非常廣泛，它在平整地面移動的靈活性使其成為室內機器人的首選。輪式機器人的基本功能是運動，而在室內進行穩定運動則需要定位、導航和避障作為必要功能。為了便于控制，輪式機器人可安裝云臺、顯示屏、話筒和音箱等人機交互設備，并增加升降桿裝置增強用戶體驗效果。因此，本文設計了一種滿足上述多種需求的多功能輪式機器人。下面詳細介紹整體結構和各模塊功能及工作流程。

1 整體框架

如圖1 所示，本項目采用主從式模塊化設計，便于靈活增加功能和進行技術移植。主控板是機器人的大腦，起到核心控制功能，直接連接顯示屏、話筒和音箱進行人機交互。其它各項功能均分配到外圍模塊執行，一方面減輕主控板的工作負擔，另一方面也能避免各模塊的競爭與沖突。主控板采用RS232 接口向外圍模塊發送指令并獲取信息，電路如圖2 所示。

圖1 多功能室內輪式機器人結構框圖

圖2 主控板電路原理圖

2 功能模塊及工作流程

■2.1 電源管理模塊

機器人各模塊需要多種類型電源，比如直流電機+24V、超聲模塊+5V、電子羅盤+3.3V 等，由本模塊進行綜合管理。電源輸入管理包含外接24V 直流充電接口和24V 鋰電池浮充接口。電源輸出管理包含24V、12V、5V、4.8～7.2V 可調、3.3V 等5 路，可通過繼電器控制。其各路輸出如圖3 所示。檢測電路提取電壓樣值，并進行檢測、判斷、處理，取得電壓樣值及告警信息。本模塊可將電源狀態信息發給主控板，并接收其控制指令。

圖3 多路電源輸出電路原理圖

■2.2 直流電機驅動模塊

本模塊可根據控制信號產生PWM 信號并通過H 橋功率驅動。具體工作流程為：收到主控板指令后，產生對應的PWM 信號，經光耦隔離后送到H 橋功率驅動器，由驅動器驅動直流電機運動。若驅動電流過大或驅動芯片溫度過高，H 橋功率驅動器將產生報警信號，并將告警信息發送到主控板。本模塊結構如圖4 所示。

圖4 直流電機驅動模塊結構圖

■2.3 升降桿控制模塊

在人機交互時，機器人需達到一定高度才會有良好的用戶體驗，但機器人太高會容易傾倒，故使用升降桿裝置解決此矛盾。本模塊通過控制步進電機使升降桿以設定速度運行，到達預設位置。具體工作流程為：收到主控板指令后，產生對應的控制信號，TE2302 在控制信號的作用下驅動步進電機運動，進而通過聯軸器實現升降桿位置控制。若升降桿位置過高或過低，將觸動用于限位的微動開關，檢測到微動開關信號后，將控制升降桿停止運動，同時對升降桿當前位置數據進行自校正。其控制流程如圖5 所示。

圖5 升降桿控制流程圖

■2.4 云臺舵機驅動模塊

云臺使機器人頭部可靈活轉動。本模塊通過PWM 信號控制云臺2 個舵機轉動到設定方向。具體工作流程為：收到主控板指令后，產生PWM 控制信號，經ULN2003 驅動舵機運動到預設角度。

■2.5 真彩燈控制模塊

本模塊共包含6 個三色LED 燈，每個燈的紅、綠、藍三種亮度通過PMW 控制0～255 級可調，顯示24 位16777216 色真彩，6 個燈的流水、跳變、漸變模式可組合出絢麗效果。具體工作流程為：收到主控板指令后，產生對應的PWM 控制信號使三色LED 燈進行24 位亮度顯示。

■2.6 超聲避障模塊

本模塊在機器人各個探測方向共配置24 組超聲波探測傳感器，可同時產生24 路超聲波信號進行全方位探測，超聲波波速約為340m/s，頻率為40kHz，每次探測信號發送持續時間約6μs。具體工作流程為：收到主控板指令后，檢測24 個傳感器的值，根據檢測數據判斷障礙物分布情況后，將結果反饋給主控板。

■2.7 信標定位模塊

定位模塊包含安裝在機器人上的定位板和安裝在墻或天花板的信標，可通過測定超聲波傳播時長確定兩者之間距離，聯合多個定位板和信標距離可解算出機器人位置。具體工作流程為：收到主控板指令后，發射包含信標地址碼的無線信號，對應標志點接收到無線信號后發出超聲波信號，超聲波接收器進行信號接收，檢測超聲波信號到達時間，反饋給主控板。主控板根據四個定位板反饋的距離信息，以及各超聲波接收器安裝的幾何位置計算相對距離，從而得到定位信息。超聲波發射和接收電路如圖6 和圖7 所示。

圖6 超聲波發射電路

圖7 超聲波接收電路

■2.8 WiFi 數傳模塊

WiFi 信號接收模塊的串口發送速率與主控板通信所使用的速率不相同，因此需要數據轉換單片機進行轉換處理。本模塊對WiFi 信號接收模塊進行初始化配置，從而接收手機發送的WiFi 數據，WiFi 信號接收模塊將數據通過串口發送給WiFi 適配單片機，WiFi 適配單片機將數據轉為并行數據，再通過串口發送給主控板。

■2.9 電子羅盤模塊

本模塊包含一個霍尼韋爾磁傳感器和一個加速度傳感器，前者用于檢測機器人當前絕對方向，后者可協助進行慣性導航。具體工作流程為：采用輪詢方式實時采集、分析、處理當前的水平方向和三軸加速度數據，收到主控板查詢指令后，通過串口發送給主控板。

3 總結

本項目所設計的機器人具備良好的運動功能和人機交互功能，并具備自主導航、智能避障等輔助功能，符合博物館、醫院、餐廳等多場合的實際需求。下一步將在此基礎上增加語義識別、人臉識別等智能算法，提升產品性能和應用效果。